UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INTITUTO DE GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOFÍSICA
ARTHUR SOUZA DOS SANTOS
MODELAGEM MATEMÁTICA DO SISTEMA ESTUARINO DOS RIOS MOJUIM E MOCAJUBA (PARÁ-BR)
BELÉM-PA 2016
ARTHUR SOUZA DOS SANTOS
MODELAGEM MATEMÁTICA DO SISTEMA ESTUARINO DOS RIOS MOJUIM E MOCAJUBA (PARÁ-BR)
BELÉM-PA 2016
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Geofísica do Instituto de Geociências da Universidade Federal do Pará em cumprimento às exigências para a obtenção de título de Mestre em Geofísica Marinha.
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Sistema de Bibliotecas da UFPA
Santos, Arthur Souza dos, 1987-
Modelagem matemática do sistema estuarino dos rios Mojuim e Mocajuba (Pará-BR) / Arthur Souza dos Santos. - 2016.
Orientador: Marcelo Rollnic. Dissertação (Mestrado) - Universidade
Federal do Pará, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Geofísica, Belém, 2016.
1. Hidrodinâmica – Modelos matemáticos. 2. Estuários - Trópicos. 3. Hidrografia - Pará. I. Título.
RESUMO
Os estuários dos rios Mojuim e Mocajuba no setor leste da Zona Costeira Amazônica representam um ambiente peculiar e complexo, pois são conectados entre si e sofrem influência tanto da baia do Marajó quanto do Oceano Atlântico. O presente trabalho de pesquisa tem como objetivo a implementação de um modelo hidrodinâmico baseado em malha flexível no sistema estuarino do rio Mojuim e Mocajuba, além de analisar as características hidrográficas e hidrodinâmicas dos estuários superiores desses rios. A metodologia é baseada na utilização do modelo D-Flow Flexible Mesh que abrangeu em seu domínio os rios Mojuim e Mocajuba, os canais que conectam esses rios, parte da desembocadura da baia do Marajó e as planícies de maré adjacentes. Também foi realizada uma coleta sistemática de dados “in situ”, no qual foram analisados os parâmetros de corrente, salinidade, turbidez e nível da água, durante um ciclo de maré em pontos localizados no estuário superior dos rios Mojuim e Mocajuba. No rio Mojuim foram feitas duas campanhas sazonais em dois pontos distintos e no rio Mocajuba foi feito apenas uma campanha no período chuvoso, entretanto, foi instalado nesta localidade uma estação maregráfica que operou por 25 semanas. Parte dos dados amostrais foram usados como entrada no modelo hidrodinâmico implementado. O estuário superior do rio Mocajuba apresentou um regime de macromaré com a altura máxima registrada de 5,8 m. Já no rio Mojuim é possível notar uma gradual atenuação da onda de maré, sendo que no ponto de coleta mais a montante do estuário foi possível observar um fluxo unidirecional de descarga no período chuvoso. Foi observado também um padrão hidrodinâmico diferenciado entre os rios, com as velocidades de vazantes mais intensas que as enchentes e suas propriedades hidrográficas diretamente influenciadas pela flutuação da maré. Por fim foi implementado e calibrado o modelo hidrodinâmico em malha flexível na área de estudo, onde foram atribuídas condições iniciais e de contorno, além de ajustes nas forçantes de fronteira. O modelo gerou uma boa representação da das condições do estuário, mostrando padrões maregráficos e hidrodinâmicos aceitáveis quando comparados com medições “in situ”, uma vez que os erros entre os dados medidos e modelados em relação ao nível da água foram menores que 5% e os erros em relação ao transporte menores que 15 %.
Palavras-chave: D-Flow Flexible Mesh. Rio Mojuim. Rrio Mocajuba. Estuário tropical. Baixa descarga. Malha flexível.
ABSTRACT
The estuaries of Mojuim and Mocajuba rivers are located in the eastern sector of the Amazon Coastal Zone and represent a peculiar and complex environment. They are connected by several channels and are receive influence of the Bay of Marajó and the Atlantic Ocean. The following research aims to implement a hydrodynamic model based on a flexible grid on the of Mojuim and Mocajuba rivers estuarine system; and to analyze the hydrological and hydrodynamic characteristics of the upper estuary of these rivers. The methodology involves the use of D-Flow Flexible Mesh pack a get simulate hydrodynamics patterns into the domain that covers the Mojuim Mocajuba rivers, the canals connecting these rivers, part of the mouth of the Bay of Marajó and the adjacent tidal flats. It was also performed an "in situ" systematic data collection, in which parameters of flow, salinity, turbidity and water level were analyzed during a tidal cycle in sites located at the upper estuary of Mojuim and Mocajuba rivers. In the Mojuim river two seasonal campaigns were made in two different sites and in the Mocajuba river only one campaign were made in the rainy season, however, a tide station was installed in this location that operated for 25 weeks. Part of the sample data were used as input to the hydrodynamic model. The upper estuary of Mocajuba river presented a macrotidal regime with maximum height of 5.8m recorded. In the Mojuim river, a gradual attenuation of the tidal wave is noticeable and, in the collection point and in the upper estuary a one-way flow discharge during the rainy season was observed. A different hydrodynamic pattern between the two rivers was also observed, with ebb speed more intense than floods and their hydrological properties directly influenced by the tide fluctuation. Finally a hydrodynamic model in flexible grid was implemented and calibrated in the researched area, where initial and boundary conditions were assigned, as well as adjustments to the border forcing. The model generated a good representation of the estuary conditions, showing acceptable tidal and hydrodynamic pattern when compared with the "in situ" measurement, once the error between the measured data and modeled data related to the water level were less than 5%, and errors related to transportation are lower than 15%.
Keywords: D-Flow FM. Mojuim river. Mocajuba river. Tropical estuary. Low discharge. Flexible mesh.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1- Localização da área de estudo. ... 16
Figura 2- (a) Principais atividades da ZCA, com destaque as atividades portuárias, pesqueiras e petrolíferas. (b) Principais RESEX do sistema estuarino do rio Mojuim e Mocajuba. ... 20
Figura 3- Tipos de malhas: (a) retangular, (b) curvilínea, (c) triangular. ... 22
Figura 4- Princípio da ortogonalização em uma malha não estruturada. ... 23
Figura 5- Malha discretizada, com destaque para os elementos curvilíneos e triangulares nas áreas de conexão entre os canais. ... 28
Figura 6- Batimetria interpolada dentro do domínio. ... 30
Figura 7- Gráfico indicando as intensidades e direções do vento. ... 32
Figura 8- Regime pluviométrico mensal referente ao ano de 2014. ... 33
Figura 9- Mapa de localização das estações de coleta: (a) estações P1 e P2 no rio Mojuim, (b) estação L1 no rio Mocajuba. ... 35
Figura 10- (a) Curva de maré no rio Mocajuba, com destaque em (b) a maior sizígia e em (c) a menor quadratura. ... 38
Figura 11- Principais constituintes harmônicas. ... 39
Figura 12- Intensidade e direção das correntes para estação L1. ... 40
Figura 13- Propriedades hidrográficas e hidrodinâmicas da estação L1. ... 41
Figura 14- Intensidade e direção das correntes para a estação P1: (a) período chuvoso, (b) período seco. ... 42
Figura 15- Velocidade longitudinal durante um ciclo de maré para a estação P1: (a) período chuvoso, (b) período seco. Obs: no período chuvoso só ocorreram medições de corrente durante meio ciclo de maré. ... 43
Figura 16- Salinidade durante um ciclo de maré para a estação P2: (a) período chuvoso (b) período seco. ... 43
Figura 17- Intensidade e direção das correntes para a estação P2. (a) período chuvoso, (b) período seco. ... 44
Figura 18- Velocidade longitudinal durante um ciclo de maré para a estação P2: (a) período chuvoso, (b) período seco. ... 45
Figura 19- Estações usadas para a calibração do modelo. ... 47
Figura 21- Análise de correlação do nível da água onde os valores modelados são comparados com os valores previstos e/ou medidos. ... 50 Figura 22- Série temporal do transporte para dados medidos e dados modelados. ... 53
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Descarga fluvial de alguns rios da Amazônia. ... 18
Tabela 2- Localização das estações de coleta. ... 34
Tabela 3- Média, máximos e mínimos das propriedades analisadas. ... 41
Tabela 4- Coeficientes de Manning usados no domínio... 46
Tabela 5- Pontos de calibração e suas respectivas fontes e posições geográficas. ... 46
Tabela 6- Características das constituintes de maré usadas na calibração do modelo. ... 48
Tabela 7- Coeficiente de correlação de Nash-Sutcliffe para a série inteira e Erro Quadrático Médio para quatro períodos lunares diferentes. ... 51
Tabela 8- Amplitude em metros das constituintes diurnas para os valores medidos e modelados. ... 51
Tabela 9- Amplitude em metros das constituintes semidiurnas para valores medidos e modelados. ... 52
Tabela 10- Amplitude em metros das constituintes de água rasa para valores medidos e modelados. ... 52
Tabela 11- Coeficiente de correlação de Nash-Sutcliffe e Erro Quadrático Médio para os valores de transporte modelados e medidos. ... 53
SUMÁRIO 1 APRESENTAÇÃO ... 11 1.1 Organização do manuscrito ... 11 1.2 Introdução ... 11 1.3 Justificativa ... 14 1.4 Objetivos ... 15 1.4.1 Objetivos Gerais ... 15 1.4.3 Objetivos Específicos ... 15 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 16 2.1 Área de estudo ... 16
2.1.1 Aspectos Climáticos e Oceanográficos ... 17
2.1.2. Hidrologia ... 18
2.1.3 Geologia da Área ... 19
2.1.5 Principais atividades e Unidades de Conservação ... 19
2.2 Descrição da modelagem matemática ... 21
2.2.1 Modelo Hidrodinâmico ... 21
2.2.2 D-Flow Flexible Mesh ... 21
2.2.3 Malha Computacional... 22
2.2.4 Integração no Tempo ... 24
2.2.5 Termo Advectivo ... 24
3 METODOLOGIA ... 28
3.1 Implementação do modelo hidrodinâmico ... 28
3.1.1 Domínio ... 28 3.1.2 Batimetria ... 29 3.1.3 Rugosidade ... 30 3.1.4 Maré Astronômica ... 31 3.1.5 Vento ... 31 3.1.6 Precipitação ... 32 3.1.7 Descarga Fluvial ... 33
3.1.8 Configuração de Tempo ... 33 3.2 Dados amostrais ... 34 3.2.1 Corrente e vazão ... 36 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 38 4.1 Dados amostrais ... 38 4.1.1 Estação L1 ... 38 4.1.2 Estação P1 ... 42 4.1.3 Estação P2 ... 43 4.2 Modelagem hidrodinâmica ... 45 4.2.1 Calibração ... 49 5 CONCLUSÕES ... 55 REFERÊNCIAS ... 56
1 APRESENTAÇÃO
1.1 Organização do manuscritoO presente trabalho é referente a pesquisa científica sobre alguns processos hidrodinâmicos do sistema estuarino do Rio Mojuim e do Rio Mocajuba através da obtenção de dados “in situ” e da modelagem hidrodinâmica da área. Este manuscrito se encontra organizado na forma de dissertação de acordo com as regras do Programa de Pós-Graduação em Geofísica da Universidade Federal do Pará, sua distribuição é feita em 5 capítulos.
O primeiro capítulo aborda a problemática que levou a realização deste trabalho, contendo uma breve introdução da área a ser estudada, a justificativa e os objetivos a serem atingidos. O segundo capítulo traz uma descrição da área de estudo, abordando seus aspectos climáticos, hidrológicos e geológicos, além das principais atividades que compõem a região. Em seguida, ainda neste capítulo, há uma discussão sobre modelagem hidrodinâmica e uma breve descrição sobre o modelo implementado na pesquisa. O terceiro capítulo apresenta a metodologia do trabalho destacando as configurações, as condições iniciais e de contorno do modelo adotado, além dos aspectos relativos a aquisição de dado realizada durante o desenvolvimento deste trabalho.
O capítulo quatro apresenta os resultados e discussões das análises dos dados amostrais referentes aos aspectos hidrográficos e hidrodinâmicos da porção superior dos rios Mojuim e Mocajuba. Neste capítulo também é apresentado os aspectos sobre a implementação da modelagem hidrodinâmica e sua calibração. O capítulo cinco, por fim, aborda as principais conclusões obtidas através deste estudo científico.
1.2 Introdução
A região amazônica possui a mais extensa rede hidrográfica do planeta, no qual, duas grandes bacias hidrográficas influenciam fortemente a região: a do rio Amazonas e a do Tocantins-Araguaia (ANA, 2015). Essas bacias hidrográficas, juntamente com outras de menor aporte, desembocam no litoral dos estados do Amapá, Pará e Maranhão formando a Zona Costeira Amazônica (ZCA), um ambiente que abriga diversos estuários, planícies de maré, praias tanto oceânicas quanto estuarinas, além da maior faixa contínua de manguezais do mundo (SOUZA FILHO, 2005).
A ZCA possui características meteoceanográficas bastante peculiares quando comparado a outras regiões costeiras do país, pois está inserida em uma região tropical de elevada precipitação anual (até 3.300 mm/ano), altas temperaturas (>20°C) com baixa variação térmica sazonal, regime de meso a macromaré e descarga de dezenas de estuários (NITTROUER; DEMASTER, 1996; BEARDSLEY et al., 1995; PEREIRA et al., 2009).
A ZCA, com destaque o rio Amazonas, contribui com aproximadamente 30 % da água doce despejada no oceano Atlântico (DAÍ; TRENBERTH, 2002). As descargas fluviais dos rios amazônicos podem variar da ordem de 105 m3s-1 para o rio Amazonas, diminuindo para 104 m3s-1 para o rio Tocantins, chegando a ordem de 101 m3s-1 em alguns estuários do nordeste paraense (MASSON; DELECLUSE, 2001; LATRUBESSE; STEVAUX, 2002; ASP et al., 2013). Outro importante corpo hídrico da região é o rio Pará, este, é formado da conectividade com o rio Amazonas, através do estreito de Breves, e da sub-região do Marajó/Portel (COSTA, 2014). Juntamente com o rio Tocantins, o rio Pará origina a baia do Marajó, também chamada de estuário do rio Pará (GREGÓRIO; MENDES, 2009; PRESTES et al., 2014).
Os estuários são ecossistemas costeiros que podem ser encontrados na forma de fjords, vales de rios inundados, planícies costeiras, entre outros (MIRANDA; CASTRO; KJERFVE, 2002). De maneira clássica, define-se estuário como um corpo semifechado de água, que possui ligação livre com o oceano adjacente, onde a água do mar é mensuravelmente diluída pela água doce oriunda da drenagem continental (CAMERON; PRITCHARD, 1963). Considerando outros pontos de vista, Dalrymple, Zaitlin e Boyd (1992), descreveu o estuário como um sistema de vales inundados, os quais recebem sedimentos de fontes marinhas e fluviais, podendo ser influenciado por processos de descargas fluviais e por processos costeiros como ventos, ondas e maré.
O estuário do rio Pará recebe o aporte de diversos sistemas menores, portanto, o monitoramento da contribuição desses sistemas é de fundamental importância para a gestão dos recursos hídricos da região. Atualmente, tornou-se prática comum o uso de modelos hidrodinâmicos para o monitoramento dos corpos hídricos. A modelagem visa solucionar numericamente as equações hidrodinâmicas básicas utilizando medições e teorias do comportamento dos oceanos, rios e estuários, adotando técnicas que discretizam o espaço contínuo em um número finito de pontos, de modo a possibilitar simulações e previsões dos processos ocorrentes nestes ambientes (ROSMAN, 2011).
Nos estuários amazônicos, a modelagem hidrodinâmica vem sendo utilizada para descrever uma série de processos em diferentes escalas. Gabioux (2002) implementou um modelo barotrópico para identificar a influência das camadas de lama sobre a maré na plataforma, enquanto Gallo (2004), estendeu o modelo até Óbidos observando a influência fluvial na propagação da mesma. Os rios Amazonas e Pará foram modelados com a utilização de malhas flexíveis por Le Bars et al. (2010) e por Borba (2014). Os corpos hídricos de menor porte também foram modelados, como exemplo, tem-se o rio Caeté no nordeste paraense por Abreu (2008), a baia do Guajará por Barros et al. (2011) e os canais de maré na ilha do Marajó por Nascimento (2013).
No setor leste da Zona Costeira Amazônica, está localizada a Costa Atlântica do Salgado Paraense, uma região constituída por um conjunto de reentrâncias (‘rias’) formadas por estuários de baixa descarga fluvial, de baixo relevo e, muitas vezes, comunicados entre si através de áreas de inundação ou por ligação direta de dois canais de maré (COSTA et al., 1991; EL-ROBRINI et al., 2006; ASP et al., 2012). O termo conectividade hidrodinâmica foi usado, por Araújo (2012), para fazer referência à conexão entre dois estuários de macromaré promovida por um canal de maré, através do qual ocorre troca de água e sedimentos em suspensão induzida pela ação da maré.
Inseridos nesse contexto encontra-se os rios Mojuim e Mocajuba, dois ambientes conectados entre si, que se localizam adjacentes à desembocadura da baia do Marajó. Esse sistema também recebe influência do oceano por uma conexão do rio Mocajuba com o rio Curuçá. Consequentemente, a modelagem individual desses corpos hídricos é de difícil implementação, pois a conectividade pode afetar substancialmente o fluxo residual do sistema e a quantidade de volume exportada ou importado com o meio externo.
Este trabalho, por sua vez, apresenta a implementação de um modelo hidrodinâmico em um sistema estuarino amazônico. Para tal, será utilizado o pacote de modelo D-Flow Flexible Mesh Grid para simular a hidrodinâmica dos rios Mojuim e Mocajuba, acompanhado de uma investigação hidrográfica e hidrodinâmica em relação ao estuário superior destes sistemas, a partir de observações realizadas “in situ”.
1.3 Justificativa
A região amazônica possui grande importância ambiental, social e econômica. A complexidade dos processos ambientais que ocorrem na sua zona costeira, associada à aquisição de dados esparsa tanto no espaço e quanto no tempo, dificultam o gerenciamento dos seus recursos hídricos. Por essa razão, é necessário integrar as análises de diversos parâmetros, ampliar as coletas de dados e implementar modelos hidrodinâmicos na região, para melhor gerir os recursos, reduzindo dessa forma, possíveis impactos ambientais como poluição dos meios hídricos por despejo de esgoto ou derramamento de óleo por exemplo.
Do ponto de vista da gestão ambiental, a ocupação humana desordenada, o extrativismo desenfreado e a chegada de grandes projetos, a exemplo da construção de portos, refletem grandes ameaças aos ecossistemas costeiros amazônicos. Por essas razões, foi necessário que o Poder Público inserisse algumas áreas em programas de proteção como o Sistema Nacional de Unidades de Conservação (SNUC), que atribui um conjunto de diretrizes que possibilitam às esferas governamentais federal, estadual e municipal a criação, implementação e gestão de Unidades de Conservação (UC), visando a gestão e proteção dessas áreas (MMA, 2015).
Além disso, no âmbito econômico e social, a ZCA sustenta um enorme potencial pesqueiro, com a pesca constituindo-se em fonte de alimento, comércio, renda e lazer para grande parte da população, especialmente as que residem nas margens dos rios (SANTOS; SANTOS, 2005). A atividade portuária também ocorre na região, com destaque o Porto de Vila do Conde no município de Barcarena-PA, por meio do qual é escoado minério de bauxita, alumínio, insumos e cargas em geral (RODRIGUES; SZLAFSZTEIN, 2013). As perspectivas de novos investimentos na exploração do petróleo e gás natural na plataforma continental amazônica também é outra potencialidade econômica da região.
Os estuários localizados na ZCA são, muitas vezes, conectados entre si dificultando a elaboração de um plano de mitigação para os impactos ambientais. Além disso, até mesmo os pequenos estuários possuem grandes dimensões, tornando difícil a caracterização ambiental apenas com medições “in situ”. Nesse contexto, a modelagem hidrodinâmica se torna uma ferramenta fundamental para a gestão desses ambientes, uma vez que engloba vários ambientes em seu domínio e é capaz de realizar prognósticos através da simulação de cenários futuros.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivos Gerais
O presente trabalho tem como objetivo geral a implementação de um modelo hidrodinâmico com malha flexível no sistema estuarino do rio Mojuim e Mocajuba.
1.4.3 Objetivos Específicos
Analisar a hidrodinâmica do estuário superior dos rios Mojuim e Mocajuba, através da coleta de dados hidrológicos e hidrodinâmicos para definição das condições iniciais e de contorno do modelo.
Calibrar e validar um modelo hidrodinâmico em malha flexível.
Analisar a propagação da onda de maré ao longo do sistema estuarino
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Área de estudoOs estuários dos rios Mojuim e Mocajuba integram a mesorregião do nordeste paraense, microregião do Salgado. Esses rios estão localizados entre os meridianos 48° e 47° W e os paralelos 0° e 1° S. Seus principais limites são a Oeste o município de São Caetano de Odivelas, a Leste o município de Curuçá e, ao Norte, um arquipélago formado pelas ilhas dos Guarás, Ipemonga e do Mutucal (Figura 1). A desembocadura deste sistema estuarino apresenta em sua morfologia de fundo numerosos bancos de areia, orientados nos sentidos das correntes de maré (MÁCOLA; EL-ROBRINI, 2004). A área se destaca na ZCA por ser uma costa de baixo relevo recortada por estuários e planícies costeiras que estão em contato direto com o oceano Atlântico, situação propícia à formação de extensas áreas de manguezais (PROST et al., 2001).
Figura 1 - Localização da área de estudo.
2.1.1 Aspectos Climáticos e Oceanográficos
O NE paraense é influenciado por um clima tropical úmido, classificado como do tipo AWA’A’ (COSTA; RIBEIRO; SOUZA FILHO, 1996). A umidade do ar é relativamente alta durante o ano todo, mantendo-se sempre acima de 80%. As temperaturas são elevadas, variando ao longo do ano entre 25°C e 29°C. A região apresenta dois períodos sazonais distintos: o período chuvoso que se estende de janeiro a junho, com maiores índices pluviométricos nos meses de março a maio; e o período seco, que ocorre de julho a dezembro, com menores índices de setembro a novembro (LIMA et al., 2005).
As oscilações da Zona de Convergência Inter-Tropical (ITCZ) controlam as principais mudanças do clima na ZCA. A ITCZ fica predominantemente no Hemisfério Norte, estando mais próxima ao 0° N entre março e abril e próximo dos 10°N, entre agosto e setembro. Consequentemente, o deslocamento sazonal da zona intensifica a ação os ventos alísios de NE na foz do rio Amazonas e no litoral paraense (PHILANDER, 1990; COSTA et al., 1996).
Um papel importante dos ventos alísios é na geração de ondas na baía do Marajó, pois esta possui uma largura de 63 km na sua desembocadura, resultando em uma pista adequada de área suficiente para transferência de energia entre o vento e a superfície do estuário. Esse regime de ondas pode variar sazonalmente se considerarmos as oscilações dos alísios em termos de intensidade e ângulo de incidência sobre a costa (MUEHE; GARCEZ, 2005).
A região apresenta um regime de meso a macromaré onde as componentes semidiurnas M2 (componente lunar principal), S2 (componente solar principal) e N2 (componente lunar elíptica) são as mais significativas (BEARDSLEY et al., 1995). Nos estuários amazônicos, a propagação de maré envolve a oscilação da maré em sua desembocadura, o escoamento fluvial e as forças de atrito da margem e do fundo que vão progressivamente distorcendo a onda de maré ao longo do canal (GALLO, 2004).
As correntes de maré estão associadas à penetração da maré ao longo do estuário e exercem grande influência nos mecanismos de mistura, sedimentação, erosão e transporte. Estas velocidades de correntes no nordeste do Pará podem atingir valores máximos de 1,14 m/s e 0,43 m/s no rio Caeté e no rio Mocajuba, respectivamente (ASP et al., 2013).
2.1.2. Hidrologia
O ambiente amazônico abriga o sistema hídrico mais extenso e de maior massa líquida do planeta, no qual, quatro dos maiores rios do mundo se encontram na região: o rio Amazonas, rio Tocantins, rio Tapajós e o rio Xingu (SIOLI, 1985; DAÍ; TRENBERTH, 2002). De acordo com Souza Filho et al. (2005), os processos costeiros e marinhos da ZCA são influenciados diretamente pela sua complexa rede hidrográfica, constituída de rios com variadas descargas fluviais, extensos estuários, canais de maré e outros cursos de água que formam uma extensa rede de ramificações no qual o principal rio é o Amazonas (Tabela 1).
Tabela 1 - Descarga fluvial de alguns rios da Amazônia.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A sazonalidade é um fator determinante para o regime hidrológico da região amazônica. No período de janeiro a junho, as condições pluviais e fluviais atingem altas taxas, influenciando nos processos hidrodinâmicos do estuário, bem como ocasionando as expansões das áreas de inundação.
A baía do Marajó está inserida nesse contexto como um estuário dominado por maré formado principalmente pelos rios Pará, Tocantins e pela baía do Guajará (GREGÓRIO; MENDES, 2009). Na sua desembocadura, destacam-se os primeiros rios que integram a Costa do Salgado Paraense, a exemplo os rios Mojuim e Mocajuba.
O rio Mojuim tem um comprimento em linha reta de 36 km com sua nascente próxima ao município de Santo Antônio do Tauá, este rio é caracterizado por meandros em grande parte de seu percurso, atravessando cidades como São Caetano de Odivelas. Enquanto o rio
Mocajuba tem um comprimento de aproximadamente 25 km e não possui uma nascente definida, entretanto apresenta-se largo em grande parte de seu percurso chegando a formar dois corpos hídricos: o rio Curuçá, que deságua no oceano Atlântico, e o rio Maripanema que se conecta ao rio Mojuim através de dois canais de maré (Figura 1).
2.1.3 Geologia da Área
No setor leste da ZCA, o embasamento é composto principalmente pelo terciário, que é marcado pela sedimentação da formação Pirabas e Barreiras. Nas áreas baixas, prevalecem sedimentos do Barreiras, com destaque às planícies costeiras do Holoceno. Além disso, encontram-se algumas formações Proterozóicas, metamórficas e metasedimentares, com idades variando do Pré Cambriano até o recente (EL-ROBRINI et al., 2006). Esses fatores, de acordo com Asp et al. (2013), contribuem para o pequeno tamanho relativo das bacias de alguns rios do nordeste paraense.
A rede de drenagem atual, caracterizada por anomalias diversas, reflete movimentos tectônicos que podem ser entendidos no âmbito da tectônica cenozóica ou provavelmente da tectônica ativa. Reconhecem-se extensos trechos de rios de sinuosidade alta alternados com segmentos retos poucos sinuosos, evidenciando soerguimento e abatimentos que impuseram instabilidade local nos sistemas fluviais. O sistema de drenagem atual do salgado paraense apresenta forte controle estrutural e encontram-se fortemente adaptado à orientações das falhas transcorrentes e das falhas normais, geradas a partir do Terciário Superior (COSTA et al., 1996).
2.1.5 Principais atividades e Unidades de Conservação
No ponto de vista do gerenciamento costeiro, as questões sociais, ambientais e econômicas devem ser observadas sob uma mesma perspectiva, uma vez que esses âmbitos interagem entre si condicionando o espaço geográfico costeiro (SZLAFSZTEIN, 2009). Nos centros urbanos estão concentradas as principais atividades econômicas da Zona Costeira Amazônica, que são baseadas principalmente, nas atividades industriais, portuárias, exploração de minério, imobiliária, pesqueira, turística, comercias, extrativistas e pecuaristas. Enquanto nas pequenas comunidades costeiras, as atividades econômicas são baseadas, sobretudo, na agricultura e na pesca (PEREIRA et al., 2009).
Na ZCA é possível observar diversos pontos específicos de atividade pesqueira, diversos portos, além de um crescente interesse no ramo de petróleo e gás natural com blocos demarcados ao longo da plataforma e alguns já leiloados pela Agência de Petróleo (ANP, 2015) (Figura 2.a). No entanto o que mais chama atenção na região é quantidade de áreas afetadas por essas e outras atividades como o extrativismo fortemente impactante em regiões de manguezais. Diante desse cenário, faz-se necessário a criação de diversas Unidades de Conservação com o intuito de proteger os ecossistemas impactados por essas atividades.
As Unidades de Conservação (UC) são áreas delimitadas do território nacional especialmente protegidas por lei para a proteção de ecossistemas significativos. Ao longo dos estuários dos rios Mojuim e Mocajuba existem três UC do tipo Reserva Extrativista (RESEX), que são utilizadas por populações tradicionais, cuja subsistência baseia-se no extrativismo e, complementarmente, na agricultura de subsistência. O objetivo da RESEX é garantir o uso sustentável dos recursos naturais da UC (MMA, 2015). As Reserva Extrativistas que integram o sistema estuarino dos rios Mojuim e Mocajuba compreendem áreas de manguezais, canais de maré e a áreas adjacentes a desembocadura dos rios (Figura 2.b).
Figura 2 - (a) Principais atividades da ZCA, com destaque as atividades portuárias, pesqueiras e petrolíferas. (b) Principais RESEX do sistema estuarino do rio Mojuim e Mocajuba.
2.2 Descrição da modelagem matemática 2.2.1 Modelo Hidrodinâmico
As Equações de Água Rasa (EAR), derivadas da equação de Navier-Stokes, são utilizadas em estudos sobre movimento de ondas e circulação de fluidos em ambientes cuja dimensão horizontal é muito maior que a vertical, a exemplo de rios, canais e estuários (HAGEN, 2014). O D-Flow Flexible Mesh utiliza essas equações em um domínio discretizado, onde o sistema passa a ser resolvido apenas em pontos pré definidos, determinados pela grade do modelo. Os resultantes das equações de água rasa são dados pelas equações de massa (Equação 1) e momento (Equações 2), onde a profundidade média, de acordo com Kernkamp et al. (2011), é obtida intrinsecamente pela integração das EAR:
𝜕𝐻
𝜕𝑡 + ∇. (𝐻𝑢⃗ ) = 𝑞 (1)
𝜕𝑢⃗
𝜕𝑡 + 𝑎𝑑𝑣(𝑢⃗ ) + 𝑔∇+ 𝑐𝑓𝑢⃗ ‖𝑢⃗ ‖ + 2× 𝑢⃗ = 𝑑 (2)
em que 𝐻 é a profundidade total, 𝑢⃗ é o vetor velocidade horizontal, é o nível de água segundo o plano, é o vetor rotação da Terra, 𝑎𝑑𝑣(𝑢⃗ ) é o termo advectivo e ∇ é o operador horizontal. O segundo termo das equações contém o termo sorvedouro 𝑞 e o termo das forçantes externas 𝑑. A constante 𝑔 e 𝑐𝑓 são a gravidade e o coeficiente de atrito de fundo, respectivamente.
2.2.2 D-Flow Flexible Mesh
O D-Flow Flexible Mesh (D-Flow FM) faz parte da nova geração de software de simulação hidrodinâmica desenvolvido pela Deltares, um instituto holandês com interesse de pesquisar regiões costeiras e bacias de rios. O D-Flow FM é um modelo baseado nos conceitos numéricos dos sistemas Delft-3D e SOBEK-1D2D, utilizados respectivamente em estuários e em fluxos de água doce. Portanto, a combinação das equações permite uma
modelagem integrada 1D, 2D e 3D, simulando fluxos e transportes induzidos por forçantes de marés, descarga fluvial, meteorológicas e pelos efeitos gerados pelo componente longitudinal do gradiente de densidade (DELTARES, 2015).
O modelo resolve as equações de Navier-Stokes adotando técnicas que discretizam o espaço e o tempo em um número finitos de pontos, permitindo a solução para o sistema de equações, a partir de condições iniciais e de contorno (HAGEN, 2014). Na composição da sua malha são definidos elementos curvilíneos juntamente com as elementos não estruturados de triângulos, pentágonos e redes de canais 1D, tudo em uma única malha flexível, permitindo uma resolução de grade espacialmente variável (DAM et al., 2014)
2.2.3 Malha Computacional
Técnicas numéricas são necessárias para a resolução das EAR sem que sejam levados em conta parâmetros de larga escala, dessa forma a EAR necessita ser discretizada no tempo e no espaço, ou seja, a região de interesse deve estar compreendida em uma malha computacional, que pode ser definido por elementos finitos representativos das feições da área de estudo, sendo que, as propriedades (corrente, salinidade, temperatura, entre outros) são calculadas e interpoladas dentro de cada célula. Existem três tipos de malhas: as retangulares, as curvilíneas e as triangulares (Figura 3). Cada uma possui vantagens e desvantagens diante da situação a qual está sendo empregada.
Figura 3 - Tipos de malhas: (a) retangular, (b) curvilínea, (c) triangular.
Uma vez que os rios não costumam ter formato retangular, torna-se difícil uma representação realística de seus contornos utilizando uma malha retangular. Já os pontos da malha curvilínea, coincidem de forma natural aos meandros presentes nos rios, assim, ruídos próximos a essa feição são menos comuns (WARMINK, 2009). Consequentemente, as malhas curvilíneos são, em sua maioria, menos imprecisas que as retangulares, sendo mais utilizados em rios e estuários (HAGEN, 2014). O outro tipo de malha é o triangular, que tem como principal vantagem sua flexibilidade ao representar a malha de pontos, pois, tem a possibilidade de um refinamento local, no entanto, por se tratar de uma malha não estruturada tem como custo a eficiência computacional (GARCIA, 2008).
O método de malha flexível (Flexible Mesh) combina a malha curvilínea e a triângular gerando eficiência na modelagem, uma vez que, a malha curvilínea é alinhada com a direção de fluxo principal do rio e a triangular é utilizada para o refinamento local em feições complexas (KERNKAMP et al., 2011). Para manter a precisão de processamento do modelo, as células da malha devem ser ortogonais. De acordo com Verwey, et al. (2011), para que a ortogonalidade das faces das células e das linhas que ligam seus centros seja mantida é necessário que: os cantos dos triângulos de células adjacentes estejam posicionados em uma circunferência comum; e o centro de cada célula esteja contido em seus limites (Figura 4).
Figura 4 - Princípio da ortogonalização em uma malha não estruturada.
2.2.4 Integração no Tempo
A malha flexível utiliza o método de volume finito como solução numérica, este método baseia-se na forma diferencial das equações da conservação da massa e do momento. Utilizando o método- (método de Euler), para integrar continuamente a equação (2) sobre o volume de controle, Kernkamp et al. (2011), estabelece um volume-finito padrão para o nível de água : 𝐴 𝑛+1−𝑛 ∆𝑡𝑛 + 𝜃(𝐴𝑢2𝑢2 𝑛+1− 𝐴 𝑢1𝑢1 𝑛+1) + (1 − 𝜃)(𝐴 𝑢2𝑢2 𝑛− 𝐴 𝑢1𝑢1 𝑛) = 𝑞 (3)
no qual subscrito denota os valores no centro da célula e 𝑢 os valores das faces. 𝐴 é a área de armazenamento horizontal da célula. 𝐴𝑢a seção da área da face de fluxo e 𝑄 ≡ 𝑢𝐴𝑢 a descarga através da face. A equação do momento discretizada é dada por:
𝑢𝑛+1− 𝑢𝑛
∆𝑡 + 𝑎𝑑𝑣(𝑢𝑛) + 𝑔
∆𝑥𝑢× (𝜃(2𝑛+1−1𝑛+1) + (1 −)(2𝑛−1𝑛)) + 𝑏𝑢𝑛+1 = 𝑑 (4)
em que 𝑏 representa o coeficiente de fricção, 𝑢𝑛 agrega outros termos explícitos e d são as forçantes externas como o vento e a precipitação.
2.2.5 Termo Advectivo
O termo advectivo 𝑎𝑑𝑣(𝑢𝑛) é integrado no tempo e formulado como momento conservativo (KRAMER; STELLING, 2008). O ponto chave da formulação conservativa do termo advectivo em malhas não estruturados recai na escolha de pares fechados da parcela advectada com fluxo advectivo.
A parcela advectada é determinada no circuncentro da célula e o fluxo advectivo que transporta esta parcela é definido na face das células que a circundam. Isto é válido para todos os tipos de células suportadas (triangular, quadrilateral, pentagonal, hexagonal ou células 1D). A formulação do termo advectivo se dá pela conservação de volume:
𝜕𝑉 𝜕𝑡 = ∑ 𝑄 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄 𝑜𝑢𝑡 (5)
onde 𝑉 é o volume e 𝑄 o fluxo de volume das faces das células. A conservação da massa (volume 𝑉 x concentração 𝑐) no modelo de transporte é simplificada como:
𝜕𝑉𝑐 𝜕𝑡 = ∑ 𝑄𝑐𝑖𝑛 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄𝑐𝑜𝑢𝑡 𝑜𝑢𝑡 (6)
Assumindo o fluxo homogêneo (fluído incompressível), a conservação do momento toma a forma abaixo:
𝜕𝑉𝑢𝑢 𝜕𝑡 = ∑ 𝑄𝑢𝑖𝑛 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄𝑢𝑜𝑢𝑡 𝑜𝑢𝑡 + ⋯ , (𝑢𝑖𝑛= 𝑢⃗ 𝑖𝑛. 𝑛⃗ 𝑢) (7)
no qual 𝑉𝑢 é o volume de controle de momentum (diferente do volume controle para níveis de água da equação 3, devido a aproximação da malha escalonada).
A face normal da célula é definida por 𝑛⃗ 𝑢 para cada ponto 𝑢, e a célula circuncentral base dos vetores velocidade 𝑢⃗ é reconstruída pela face da célula com as velocidades normais, que serão definidas na equação 12. A face de saída do volume de controle ao redor dos pontos 𝑢 é aquele para onde os vetores normais apontam, e a face de entrada é o lado oposto a esse. Agora, as parcelas 𝑢𝑖𝑛 e 𝑢𝑜𝑢𝑡 são componentes da célula circuncentral de vetores de velocidade que se encontram na direção normal. Desta forma a equação 7 pode ser escrita como: 𝑉𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑡 + 𝑢 𝜕𝑉𝑢 𝜕𝑡 = ∑ 𝑄𝑢𝑖𝑛 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄𝑢𝑜𝑢𝑡 𝑜𝑢𝑡 + ⋯ (8)
Substituindo a equação 5: 𝑉𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑡 + 𝑢 (∑ 𝑄 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄 𝑜𝑢𝑡 ) = ∑ 𝑄𝑢𝑖𝑛 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄𝑢𝑜𝑢𝑡 𝑜𝑢𝑡 + ⋯ (9) 𝑉𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑡 + 𝑢 (∑ 𝑄 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄 𝑜𝑢𝑡 ) = ∑ 𝑄𝑢𝑖𝑛 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄𝑢𝑜𝑢𝑡 𝑜𝑢𝑡 + ⋯ (10) Resultando em: 𝜕𝑢 𝜕𝑡 = 1 𝑉𝑢{∑ 𝑄(𝑢𝑖𝑛− 𝑢) 𝑖𝑛 − ∑ 𝑄(𝑢𝑜𝑢𝑡 𝑜𝑢𝑡 − 𝑢)} + ⋯ (11)
A face de volume 𝑉𝑢 de controle, de acordo com Kernkamp et al. (2011), é obtida da média dos incrementos de volume do lado esquerdo e direito da célula:
𝑉𝑢 = 𝛼𝐿𝑉𝐿+ 𝛼𝑅𝑉𝑅 (12)
sendo que:
𝛼𝐿 = ∆𝑥𝑢𝐿
Finalmente a contribuição por advecção dos lados direito e esquerdo da célula é incrementado ao passo que a formulação de volumes finitos (Equação 11) proveniente da equação do momentum, é definida por:
𝜕𝑢 𝜕𝑡 = 1 𝑉𝑢{𝛼𝐿(∑ 𝑄(𝑢𝑖𝑛𝐿 𝑖𝑛𝐿− 𝑢)− ∑ 𝑄(𝑢𝑜𝑢𝑡𝐿 𝑜𝑢𝑡𝐿− 𝑢)) + 𝛼𝑅(∑ 𝑄(𝑢𝑖𝑛𝑅− 𝑢) 𝑖𝑛𝑅 − ∑ 𝑄(𝑢𝑜𝑢𝑡𝑅 𝑜𝑢𝑡𝑅 − 𝑢))} + ⋯ (14)
Esta equação é aplicada a todas as células 2D, assumindo que o fluxo de propriedades para fora de uma célula é igual, se, e somente se, 𝑢𝑜𝑢𝑡 = 𝑢, fazendo com que o segundo e o quarto membro do somatório da equação se cancelam. Isso também é aplicado as células 1D as quais tem uma ou duas células 1D adjacentes.
3 METODOLOGIA
3.1 Implementação do modelo hidrodinâmico 3.1.1 Domínio
A complexa configuração dos estuários amazônicos exige um tratamento diferenciado na composição da malha e na escolha do domínio. Neste trabalho, o domínio é composto pelos rios Mojuim e Mocajuba, suas conexões, as planícies alagadas pela flutuação da maré e parte da desembocadura da baia do Marajó.
As malhas curvilíneas foram delimitadas para os rios Mojuim e Mocajuba, os canais das conexões e as fronteiras externas. Os elementos triangulares foram definidos para as áreas alagadas pela maré, as ilhas, os meandros acentuados e para comunicar os canais de malhas curvilíneas de tamanhos e números de elementos distintos (Figura 5). No domínio são contabilizados 150.202 elementos e 60.207 números de nós.
Figura 5 - Malha discretizada, com destaque para os elementos curvilíneos e triangulares nas áreas de conexão entre os canais.
A qualidade da malha é fundamental para a precisão das simulações, de modo que a malha deve ser ortogonalizada e suavizada, além de suficientemente densa em regiões importantes para reduzir as instabilidades numéricas e singularidades (MAXIMOVA et al., 2013). No presente trabalho o parâmetro de ortogonalidade apresentou valores inferiores a 0,02 em grande parte do domínio.
Os limites abertos são definidos pelas forçantes atuantes no modelo, nos estuários essas forçantes podem ser determinadas pela maré, descarga fluvial e vento. O limite externo é referente a entrada da maré no sistema e se estende até aproximadamente 15 km após a desembocadura dos rios Mojuim e Mocajuba, pois o afastamento da área foco minimiza os erros no modelo. Enquanto o limite interno se estende até a ambiente do estuário superior onde supostamente ocorre um fluxo unidirecional relacionado a descarga fluvial do rio.
3.1.2 Batimetria
A batimetria adotada na pesquisa foi interpolada a partir de três fontes distintas de dados. O primeiro conjunto de dados foi extraído de cartas náuticas disponibilizadas pela Diretoria de Hidrografia e Navegação (DHN) da Marinha do Brasil (CHM, 2015). Outra parte da batimetria foi realizada pelo Laboratório de Oceanografia Física (LOF) da Universidade Federal do Pará (UFPA) em parceria com Laboratório de Geofísica Marinha (GEOFMAR), podendo ser encontrada no trabalho de Rocha (2015).
Por fim, foram obtidos valores de batimetria a partir do software Deft Dashboard, que integra o pacote aberto OpenEarth, desenvolvido pela Deltares para lidar com ferramentas e modelos nas áreas marinhas e costeiras (DELTARES, 2015). O Deft Dashboard disponibiliza a batimetria e os dados de elevações provenientes do modelo global GEBCO 08, que fornece a profundidade a partir da combinação de dados gerados por navios com dados gravimétricos de sensores orbitais (GEBCO, 2015). Para os dados terrestres o GEBCO 08 utiliza o modelo de elevação digital SRTM30.
Os dados utilizados para compor a batimetria do modelo foram nivelados no plano de referência do D-Flow FM (Figura 6), que é determinado no nível médio da maré, sendo que a profundidade é expressa em metros, de forma que a batimetria negativa é abaixo do plano de referência.
Figura 6 - Batimetria interpolada dentro do domínio.
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.1.3 Rugosidade
O coeficiente de rugosidade é responsável pela resistência ao fluxo do fluido em um canal ou em planície de inundação. Neste trabalho foi utilizado o coeficiente de Manning, de acordo com as orientações de Arcement e Schneider (1989), a partir da fórmula de Manning através da velocidade média do fluido (Equação 15) e do fluxo transversal (Equação 16).
𝑉 =1,486
𝑛 𝑅2/3 𝑆𝑒1/2 (15)
𝐾 =1,486
onde 𝑉 é a velocidade média do fluxo, 𝐾 é o fluxo da secção transversal, 𝑛 é o coeficiente de rugosidade de Manning, 𝑅 é o raio hidráulico, 𝑆𝑒 é o declive da linha de grau de energia e 𝐴 é a área da secção transversal.
Os valores de 𝑛 podem ser atribuídos à diferentes partes do domínio com base nas características do ambiente. Os fatores mais importantes que afetam os valores do coeficiente de Manning basicamente são: o tipo de material que compões o canal, a forma do canal, a vegetação e o grau de meandro. Cowan (1956) desenvolveu um processo para estimar os valores de 𝑛 a partir dessas características, expresso por:
𝑛 = (𝑛𝑏+ 𝑛1+ 𝑛2+ 𝑛3+ 𝑛4)𝑚 (17)
em que 𝑛𝑏 é o valor base de 𝑛 com base na composição do canal, 𝑛1 é o fator de correção para o efeito de irregularidades da superfície, 𝑛2 um fator de correção para as variações na forma e tamanho da secção transversal do canal, 𝑛3 é o valor de obstrução, 𝑛4 é um fator de correção em relação a presença e densidade de vegetação e 𝑚 um fator de correção a partir da sinuosidade do canal.
3.1.4 Maré Astronômica
As condições de maré referente ao limite externo do modelo foram obtidas pelo Delft Dashboard, que utiliza uma versão atual do modelo global de maré TPXO 7.2 Global Inverse Tide alimentado com dados dos satélites TOPEX / Posseidon e Jason. As condições de maré são geradas a partir de constantes harmônicas para 13 componentes de maré: duas de longo período (MF, MM), quatro diurnos (K1, O1, P1, Q1), quatro semidiurnos (M2, S2, N2, K2) e três não lineares (M4, MS4, MN4) (DELTARES, 2015).
3.1.5 Vento
O vento foi obtido a partir de dados de uma estação meteoceanográfica experimental localizado na cidade de São Caetano de Odivelas sob a responsabilidade do Laboratório de Geofísica Marinha (GEOFMAR) e Laboratório de Oceanografia Física (LOF) da UFPA.
A região estudada apresenta como características a predominância de ventos com a direção norte-nordeste, com média de 4,3 m/s (Figura 7). Na condição de contorno de vento do modelo foi utilizado um valor constante de direção e intensidade do vento com o propósito de ter maior controle do modelo, no qual o valor adotado foi a Média do vento e a Moda da direção de 70°.
Figura 7 - Gráfico indicando as intensidades e direções do vento.
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.1.6 Precipitação
Os valores de precipitação foram obtidos de estações pluviométricas do Hidroweb-ANA (Figura 8) referente às estações de Vigia, Curuçá e Terra Alta (SNIRH, 2015). O sistema estuarino dos rios Mojuim e Mocajuba localizam-se entre essas estações pluviométricas, portanto, foi calculada a média pluviométrica mensal entre as estações para ser usado como valor de entrada no modelo.
Figura 8 - Regime pluviométrico mensal referente ao ano de 2014.
Fonte: Adaptado de (SNIRH, 2015).
3.1.7 Descarga Fluvial
A caracterização da porção superior do sistema estuarino dos rios Mojuim e Mocajuba faz parte desta pesquisa, portanto, a partir das análises dos dados coletados “in situ” foram definidos os valores de descarga fluvial para serem usados nos limites internos do modelo e serão discutidos mais detalhadamente nos capítulos posteriores.
3.1.8 Configuração de Tempo
Foi realizada uma simulação de 45 dias cobrindo metade do mês de fevereiro e o mês de março de 2014. Os primeiros 15 dias tiveram a finalidade de inicializar o modelo, uma vez
que o mesmo necessita de um tempo para entrar em equilíbrio a partir das condições iniciais. O mês de março foi usado na calibração do modelo abordada nos resultados deste trabalho.
O período de calibração foi escolhido em função das amostragens hidrográficas e hidrodinâmicas realizadas por Rocha (2015) no estuário do Rio Mojuim na localidade de São Caetano de Odivelas.
3.2 Dados amostrais
Os dados amostrais desta pesquisa estão baseados em medições realizadas em três estações fixas no interior dos rios Mojuim e Mocajuba. Para avaliar os aspectos hidrográficos e hidrodinâmicos da porção superior destes estuários foram executadas medições de corrente, condutividade, temperatura, turbidez e nível da água. Assim foi feito uma caracterização da área de estudo, de maneira que parte dos resultados foi usado na modelagem hidrodinâmica.
As localidades foram escolhidas de acordo com a facilidade de acesso e de modo que os pontos de coleta estivessem mais próximo da nascente de seus rios do que da desembocadura. Na porção superior dos rios Mojuim e Mocajuba implementaram-se as estações P1 e L1, localizadas a uma distância em linha reta da foz de 30 km e 23 km, respectivamente. Complementarmente, também foi implementado a estação P2 no rio Mojuim a uma distância da foz de 24 km (Tabela 2).
Tabela 2 - Localização das estações de coleta.
Fonte: Elaborado pelo autor.
As estações P1 e P2 estão localizadas próximas a pontes sobre o rio Mojuim, sendo que a distância entre as estações seguindo o curso do rio é de 10 km. Enquanto a estação L1 está situada no estuário superior do rio Mocajuba na cidade de Nazaré de Mocajuba que
integra o município de Curuçá (Figura 9). Todas as localidades de coleta possuem acesso por rodovias estaduais e estradas não pavimentadas.
Figura 9 - Mapa de localização das estações de coleta: (a) estações P1 e P2 no rio Mojuim, (b) estação L1 no rio Mocajuba.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para o estudo foram realizadas duas campanhas oceanográficas durante o ano de 2015. No ponto L1, a campanha foi realizada durante um ciclo de maré de sizígia referente ao período chuvoso (Maio) e foi instalada uma estação maregráfica registrando o nível da água durante aproximadamente 25 semanas.
Nos pontos P1 e P2, foram realizadas medições simultâneas hidrológicas e hidrográficas durante um ciclo de maré de sizígia no período chuvoso (Maio - 2015) e um ciclo no período seco (Dezembro).
Os equipamentos foram fundeados em uma estrutura a uma distância de meio metro do fundo realizando medições a cada 1 minuto. Os dados de correntes foram coletados com o
auxílio de um correntômetro eletromagnético modelo Infinity-EM (AEM-USB) e a turbidez com um sensor modelo Infinity-Turbi ATU75W2-USB, ambos da marca JFE Advantech. Para a obtenção dos valores de salinidade foi utilizada a conversão da UNESCO a partir de dados coletados com um CTD Sea-bird modelo SBE37.
Por fim, a estação maregráfica no ponto L1 operou durante os meses de maio, junho, julho e agosto registrando o nível da água a cada 10 minutos a partir de um sensor de pressão Solinst modelo Levellogger.
3.2.1 Corrente e vazão
O tratamento numérico dos dados de velocidade de corrente utilizados neste trabalho foi adaptado de Miranda, Castro e Kjerfve (2002). Está etapa foi de fundamental importância para calcular o fluxo de volume nos diferentes pontos do estuário. As medições do ponto P1 foram usadas como valores de descarga fluvial na fronteira interna do rio Mojuim, este procedimento será descrito abaixo.
Em um estuário ou canal trabalha-se com as componentes longitudinal (𝑢) e transversal (𝑣) de velocidade, portanto é necessário fazer a decomposição do vetor adotando um referencial cartesiano ortogonal. Os componentes 𝑢 e 𝑣 de velocidade são dados por:
𝑢 = 𝑉𝑐𝑜𝑠(𝜃) (18)
𝑣 = 𝑉𝑠𝑒𝑛(𝜃) (19)
onde 𝑉 é o módulo da velocidade e 𝜃 é o ângulo trigonométrico formado entre o vetor e o eixo das abscissas do referencial adotado.
O ângulo utilizado no cálculo das componentes de velocidade difere do ângulo indicado no equipamento, pois a bússola existente no correntômetro é orientada em relação ao norte magnético, assim, o ângulo que indica a direção no equipamento deve ser corrigido para o norte geográfico. Entretanto, para as igualdades trigonométricas se tornarem válidas, deve ser adotado o referencial a partir do ciclo trigonométrico. Por fim, orienta-se
longitudinalmente o eixo na direção do canal, assim, o argumento 𝜃 final para a decomposição des vetores de velocidade e dado por:
𝜃 = 90° − (𝑑𝑑 ± 𝐷) ± 𝛾 (20)
de modo que os sinais de + ou – indicam a direção de rotação do eixo para leste ou oeste, respectivamente, 90 graus é a correção para o ciclo trigonométrico, 𝑑𝑑 é o ângulo indicado no equipamento, 𝐷 a declinação magnética e 𝛾 a rotação do canal.
O procedimento para calcular o valor médio da velocidade, durante um ciclo de maré, deve ser aplicado aos componentes longitudinal e transversal, obtidos por meio da decomposição do vetor velocidade. Para a componente longitudinal o valor médio foi determinado através da média temporal das velocidades obtidas a partir dos dados do correntômetro pela equação:
< 𝑢 >=1
𝑛∑ 𝑢(𝑡) (21)
A partir da média temporal da velocidade 𝑢 e da área da secção (obtida “in situ”) foi calculado o valor de descarga fluvial na fronteira interna do modelo, está foi obtida com base nos princípios físicos da hidrodinâmica. Sabe-se que o transporte de volume e de massa são iguais ao volume e a massa de água que passa, por unidade de tempo, através de uma secção transversal. Assim, de acordo com esse conceito, os transportes instantâneos de volume 𝑇𝑣 são expressos em unidades de volume, por unidade de tempo. Matematicamente, essas quantidades são calculadas, respectivamente pelas seguintes integrais de superfície estendidas a área:
𝑇𝑣 = ∬ 𝑣 𝐴
• 𝑛⃗ 𝑑𝐴 = ∬ 𝑢𝑑𝐴
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Dados amostraisConsiderando que um dos objetivos desta pesquisa é a caracterização hidrológica e hidrodinâmica dos estuários superiores dos rios Mojuim e Mocajuba, apresenta-se a seguir os resultados dos dados amostrais obtidos nas estações P1, P2 e L1.
4.1.1 Estação L1
Os resultados da estação maregráfica demonstraram que o estuário do rio Mocajuba é fortemente influenciando pela propagação de maré. O ponto L1 apresenta claramente um regime de macromaré, registrando alturas de 4,9 m na sizígia e 3,2 m na quadratura (Figura 10). Duas características são marcantes nos registros maregráficos, uma é a assimetria da onda de maré com vazantes mais longas que as enchentes. Outra é a deformação acentuada da onda de maré, verificada nas sizígias e principalmente nas quadraturas.
Figura 10 - (a) Curva de maré no rio Mocajuba, com destaque em (b) a maior sizígia e em (c) a menor quadratura.
As componentes harmônicas foram determinadas por meio da análise harmônica da série temporal registrada (PAWLOWICZ; BEARDSLEY; LENTZ, 2002), de forma que, foram destacadas as principais componentes diurnas, semidiurnas e de água rasas (Figura 11). As constituintes de maior energia são as semidiurnas (M2 S2 e N2) e as não lineares de 6 ciclos por dia (M6 e MS6), que são até mais significantes que as componentes diurnas.
Figura 11 - Principais constituintes harmônicas.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Ao penetrar-se estuário acima, a maré é influenciada pela sua morfologia e pelas forçantes de atrito nas margens e no fundo, causando distorção progressiva da onda de maré (GALLO, 2004). Em águas rasas, a propagação da maré fica sujeita a distorções de natureza hidrodinâmica, que podem, conjuntamente, modificar seu padrão normal. Essas deformações podem ser representadas pelas componentes de água rasas que resultam da interação das componentes harmônicas principais (FRANCO, 2009). Nos rios Mocajuba as principais componentes de águas rasas são as de 4 ciclos por dia (M4 e MS4) e as de seis ciclos (M6 e MS6).
A partir das relações das componentes de maré M2 e M4, é possível realizar uma análise da distorção da onda com base na relação de suas amplitudes (AM4 / AM2) e uma análise da assimetria com base na relação de fase (2x θM2 - θM4). É possível observar uma distorção de 3,7 % e uma assimetria positiva de 69°, indicando tempos de vazantes superiores ao de enchente, uma vez que seus valores estão entre 0° e 180° (PUGH, 1987).
Em relação a velocidades das correntes de maré, durante um ciclo de maré, observa-se as velocidades de vazantes superiores às velocidades de enchente. Na figura 12 são apresentados os vetores de velocidade e suas intensidades e direções de corrente em coordenadas polares.
Figura 12 - Intensidade e direção das correntes para estação L1.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Em estuários, é mais conveniente utilizar a componente longitudinal (u) de velocidade, obtida a partir da decomposição dos vetores de velocidade. No rio Mocajuba as velocidades de enchente se mantiveram em uma média de -0,1 m/s alcançando seu máximo em módulo de 0,4 m/s no início da enchente. As velocidades de vazante foram superiores às de enchente com máximo de 0,7 m/s e uma média de 0,3 m/s. As estofas de preamar e baixa mar são bem definidas com valores nulos de velocidade.
É possível observar uma relação entre as propriedades hidrográficas e hidrodinâmicas no rio Mocajuba (Figura 13). Na preamar, foram verificados valores máximos de salinidade e mínimos de turbidez, enquanto na baixa mar o padrão se inverteu, com a salinidade praticamente nula e o máximo de turbidez no sistema. Em relação a corrente, a cada deformação na curva de maré é possível observar uma mudança no padrão de velocidade.
Figura 13 - Propriedades hidrográficas e hidrodinâmicas da estação L1.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A salinidade apresentou relação direta com a maré atingindo seu máximo de 2,8 no momento da preamar e na baixa mar apresentou o mínimo de 0,3. Já a turbidez apresentou o comportamento inverso, com valores mais baixos na preamar e valores máximos na baixa-mar de 33 ftu e 408 ftu, respectivamente. A tabela 3 apresenta os valores médios, máximos e mínimos das propriedades analisadas.
Tabela 3 - Média, máximos e mínimos das propriedades analisadas.
4.1.2 Estação P1
A estação P1 manifestou um comportamento peculiar, pois na primeira coleta (março), o fluxo do campo de velocidade apresentava-se unidirecional (Figura 14.a), já na segunda coleta é possível notar uma inversão do fluxo caracterizado por correntes de enchente e vazante (Figura 14.b). A hidrodinâmica da região é baixa apresentando valores de velocidade inferiores a 0,3 m/s.
Figura 14 - Intensidade e direção das correntes para a estação P1: (a) período chuvoso, (b) período seco.
Fonte: Elaborado pelo autor.
No período chuvoso, como já foi dito anteriormente, não ocorreu inversão do fluxo de velocidade, sendo que a velocidade máxima foi de 0,27 m/s e a mínima foi de 0,02 m/s, entretanto, é possível observar uma singela variação do nível da água em momentos que a velocidade longitudinal apresenta os menores valores (Figura 15.a). No período seco, é possível observar uma inversão do fluxo com enchentes e vazantes bem definidas, a velocidade máxima da vazante foi de 0,15 m/s e a máxima da enchente em módulo foi de 0,05 m/s. Considerando altura de maré a distância entre o nível da preamar e o nível da baixa mar, no período seco a altura de maré foi de 1,1 m (Figura 15.b).
Figura 15 - Velocidade longitudinal durante um ciclo de maré para a estação P1: (a) período chuvoso, (b) período seco. Obs: no período chuvoso só ocorreram medições de corrente durante meio ciclo de
maré.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.3 Estação P2
Na estação P2, além das análises hidrodinâmicas, foram realizados análises de salinidade (Figura 16), sendo que no período chuvoso não ocorre intrusão salina nesta região do estuário. Entretanto, no período seco, é possível observar um aumento de salinidade com o aumento do nível da água, atingindo o seu máximo de 2 logo no início da vazante.
Figura 16 - Salinidade durante um ciclo de maré para a estação P2: (a) período chuvoso (b) período seco.
A curva de maré no período chuvoso demonstrou uma deformação mais acentuada que a do período seco, entretanto, nas duas campanhas observa-se uma assimetria de maré, com o tempo de vazante muito superior ao tempo de enchente. Em relação às velocidades, a primeira campanha apresentou velocidades de vazantes extremamente intensas com máximo de 1,48 m/s e enchentes suaves com máximo de 0,51 m/s (Figura 17.a). Na segunda campanha a vazante diminui sua intensidade e a enchente aumenta a intensidade (Figura 17.b).
Figura 17 - Intensidade e direção das correntes para a estação P2. (a) período chuvoso, (b) período seco.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A deformação da maré e a velocidade de corrente possuem uma relação direta, uma vez que no período chuvoso as vazantes são muito mais intensas que as enchentes e juntamente com a deformação da curva de maré (Figura 18).
Figura 18 - Velocidade longitudinal durante um ciclo de maré para a estação P2: (a) período chuvoso, (b) período seco.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.2 Modelagem hidrodinâmica
Após a implementação do modelo é realizado a sua calibração, por meio de análises comparativas entre os parâmetros observados com os parâmetros modelados, objetivando a representação hidrodinâmica da região estuarina. No processo de calibração alteram-se os valores de rugosidades do domínio e os valores de amplitude e fase das componentes harmônicas referentes a fronteira externa. Também foi definido um valor para descarga fluvial somente para o rio Mojuim, pois no rio Mocajuba as forçantes são condicionadas apenas pela maré e pelo atrito de fundo.
A primeira campanha do rio Mojuim serviu de base para atribuir os valores da fronteira interna do modelo. Foram considerados para cálculo de descarga fluvial a média temporal da velocidade que foi de 0,15 m/s e a área da secção transversal de 42 m², totalizando uma vazão de 6 m3s-1.
O coeficiente de rugosidade foi definido para cada setor do sistema estuarino dos rios Mojuim e Mocajuba em função das características do ambiente, conforme foi descrito no subitem 3.2.2, de modo que os valores de n são expostos na Tabela 4. O ajuste do coeficiente de rugosidade visou obter uma representação aproximada das amplitudes e fases de maré, bem como dos fluxos que ocorrem no estuário.
Tabela 4 - Coeficientes de Manning usados no domínio.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para o ajuste das componentes harmônicas nos limites do modelo foram utilizados os dados observados em campo e dados de Cartas de Maré referentes a duas estações do Catálogo de Estações Maregráficas da Fundação de Estudos do Mar (FEMAR, 2015). A Tabela 5 destaca os principais pontos de calibração e suas respectivas fontes.
Tabela 5 - Pontos de calibração e suas respectivas fontes e posições geográficas.
As estações C1 e C2 são referentes às Cartas de Maré, que exibem apenas as componentes harmônicas e suas respectivas amplitudes e fase, portanto, foram realizadas previsões de maré para o mesmo período simulado no modelo, que foi definido em função das observações maregráficas e hidrodinâmicas da estação C3, referentes ao estuário do rio Mojuim, no qual encontram-se descrito em Rocha (2015). Na tabela 6 encontram-se os valores das componentes harmônicas usados na calibração e a figura 19 destaca as estações maregráficas e a secção transversal.
Figura 19 - Estações usadas para a calibração do modelo.
Tabela 6 - Características das constituintes de maré usadas na calibração do modelo.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Os resultados da modelagem foram comparados com os dados previstos e observados, de modo que é apresentada uma comparação entre as séries temporais e a relação estatística entre os dados. Os parâmetros considerados durante o processo de calibração foi o coeficiente de Nash-Sutcliffe (R²) e o Erro Quadrático Médio (EQM).
O coeficiente de Nash-Sutcliffe é aplicado para a análise da eficiência de representação dos fenômenos hidrodinâmicos na utilização da modelagem, sendo que o coeficiente próximo a 1 (um) indica uma boa representação dos dados modelados. Este parâmetro foi calculado para a série de dados inteira. Enquanto o EQM avalia a diferença entre o dado simulado e o dado observado e foi calculado para quatro períodos diferentes da série temporal, referentes às duas sizígias e as duas quadraturas.
4.2.1 Calibração
A figura 20 representa a comparação entre os dados observados e modelados para as estações C1, C2 e C3, durante o mês de março de 2014, período utilizado para análises comparativas entre os dados.
Figura 20 - Comparação da série temporal dos dados de elevação do nível da água.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A estação que melhor foi representada no modelo foi a da Ilha dos Guarás apresentando
um coeficiente de Nash-Sutcliffe (R²) de 0,9824. Enquanto a estação de Ponta Taipu
A figura 21 representa a análise da tendência linear ente os valores previstos e simulados de nível da água com os respectivos valores do coeficiente de Nash-Sutcliffe (R²) e equações da reta de tendência.
Figura 21 - Análise de correlação do nível da água onde os valores modelados são comparados com os valores previstos e/ou medidos.
Fonte: Elaborado pelo autor.
É possível observar que o modelo representou melhor as áreas localizadas perto da fronteira como as estações C1 e C2, região de maior influência da maré. Mesmo assim, a estação C3 ainda foi bem representada. Em relação ao período lunar, a segunda quadratura foi a melhor representada em todos os pontos. A pior representação foi apresentada em C1 na
primeira quadratura e nas outras estações a segunda sizígia foi mal representada (Tabela 7). As estações C1 e C2 apresentaram um erro inferior a 5% e a estação C3 apresentou um erro de 5% na segunda quadratura e um erro de 7% na segunda sizígia, representando o pior erro da simulação.
Tabela 7 - Coeficiente de correlação de Nash-Sutcliffe para a série inteira e Erro Quadrático Médio para quatro períodos lunares diferentes.
Fonte: Elaborado pelo autor.
As tabelas abaixo destacam as amplitudes medidas (amp med) e as amplitudes modeladas (amp mod) das componentes usadas na calibração do modelo hidrodinâmico, indicando que o modelo fez uma boa representação das constituintes harmônicas.
Tabela 8 - Amplitude em metros das constituintes diurnas para os valores medidos e modelados.
Tabela 9 - Amplitude em metros das constituintes semidiurnas para valores medidos e modelados.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 10 - Amplitude em metros das constituintes de água rasa para valores medidos e modelados.
Fonte: Elaborado pelo autor.
O transporte foi calculado a partir de uma secção transversal no rio Mojuim, durante dois ciclos de maré do período chuvoso. A figura 22 representa a comparação entre o dado modelado e o dado medido, sendo que é possível observar que o modelo não representou significativamente os momentos de máximos e mínimos de transporte.
